调亏灌溉对冬小麦耗水特性和水分利用效率的影响-应用生态学报

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调亏灌溉对冬小麦耗水特性和水分利用效率的影响作者姓名(作者地址)摘要以高产中筋冬小麦品种济麦22为材料，在山东兖州小孟镇史王村进行田间试验，研究了调亏灌溉对冬小麦耗水特性和水分利用效率的影响.结果表明：在全生育期降水228 mm条件下，W1（土壤相对含水量：播种期80%+拔节期70%+开花期70%）和W4（土壤相对含水量：播种期90%+拔节期85%+开花期85%）处理总耗水量高于W0（土壤相对含水量：播种期80%+拔节期65%+开花期65%）、W2（土壤相对含水量：播种期80%+拔节期80%+开花期80%）和W3（土壤相对含水量：播种期90%+拔节期80%+开花期80%）处理，W1和W4处理间无显著差异；W1处理增加了0～200 cm土层土壤贮水消耗量，降低了小麦拔节至开花期的耗水模系数，提高了开花至成熟期的耗水模系数；W4处理在开花至成熟期、拔节至开花期的耗水量和耗水模系数均较大.调亏灌溉条件下，W0处理水分利用效率较高，但产量最低；随灌溉量增加，其他处理水分利用效率为先增加后降低的趋势.耗水量最高的W1和W4处理产量也最高, W1处理灌溉水利用效率和灌溉效益均高于W4处理，为本试验条件下高产节水的最佳处理.关键词冬小麦;调亏灌溉;耗水特性; 水分利用效率Effects of regulated deficit irrigation on water consumption characteristics and water use efficiency of winter wheat.作者姓名英文(作者地址英文)Abstract：Field experiment was conducted to examine the effects of regulated deficit irrigation on water consumption and water use efficiency（WUE）in wheat plants (cv. Jimai 22) at Shiwang Village,Yanzhou, Shandong, China. Under 228 mm annual precipitation precondition, the water consumption amount of treatment W1(with soil relative water content (SRWC) of 80%, 70% and 70% at sowing, jointing, and anthesis stages, respectively) and W4 (with SRWC of 90%, 85% and 85% at sowing, jointing, and anthesis stages, respectively) were significantly higher than those of W0 (with SRWC of 80%, 65% and 65% at sowing, jointing, and anthesis stages, respectively), W2 (with SRWC at sowing, jointing, and anthesis stagesof 80%, 80%, and 80%，respectively), and W3 (with SRWC of 90%，80% and 80% at sowing, jointing, and anthesis stages, respectively). Compared with W4, the treatment W1increased the ratio of soil water consumption amount to water consumption amount, used more water in 0-200 cm soil layers, and it decreased water consumption percentage from jointing to anthesis stages, whereas increased that fromanthesis to maturity stages.The water consumption percentages of W4 at both stages from jointing to anthesisand anthesis to maturity were higher. Under regulated deficit irrigation condition, although the WUE of treatment W0 was higher, its grain yield was lowest. The WUE of other treatments firstly increased, thereafter decreased with increasing irrigation amount. Treatments W1and W4with the highest water consumption amount had the highest grain yield. Furthermore, the irrigation water use efficiency and irrigation benefit of treatment W1 were significantly higher than those of W4. Thus, based on the experimental results, it was suggested that the irrigation regime of treatment W1 would be the optimal one in terms of sustainable use of water resource.Key words:winter wheat; regulated deficit irrigation; water consumption characteristics; water use efficiency.本文由资助This work was supported by .---Received, -Accepted.*通讯作者Corresponding author. E-mail:水资源缺乏已成为全球性急需解决的问题.黄淮海平原水资源总量仅占全国水资源的 6.65％，而灌溉面积却占全国灌溉面积的40％，耕地单位面积水资源量约为全国平均值的25%，供需矛盾突出[1].该区大部分地区常年降雨量为500～700 mm，且主要集中在夏季，冬小麦生长期间降水量少，不能满足生长发育需求.如何合理利用有限的水资源，减少灌溉用水，提高水分利用效率，是冬小麦生产迫切需要解决的问题.调亏灌溉是调控土壤-植物-大气之间的关系，降低水分消耗、提高水分利用效率的有效途径.近年来，关于大田作物调亏灌溉的研究国内外进展较快，并主要集中在棉花、玉米和小麦上[2-3].研究表明，适时适度的水分调亏可显著抑制冬小麦的蒸腾速率，而光合速率下降不明显，复水后光合速率具有补偿效应，有利于光合产物向籽粒转运，抑制营养生长，促进生殖生长，提高小麦籽粒产量、收获指数及水分利用效率[4].在西北干旱地区，冬小麦水分亏缺程度可达到田间持水量的45%~50%，对作物产量没有不利影响，但可明显提高作物水分利用效率[5-6].孟兆江等[7]研究表明，在冬小麦三叶至返青期进行40%~60%田间持水率处理，调亏处理平均比对照增产0.9%~8.3%，节水12.8%~18.6%, 水分利用效率提高16.0%~33.0%；也有研究指出，在冬小麦不同时期进行不同的调亏灌溉处理有利于冬小麦利用有限的土壤水分资源[8]，在拔节和开花期亏缺灌溉可促进小麦根系生长，提高土壤水分利用效率[9]，随着灌溉量和降雨量的增加，冬小麦利用土壤底墒水的能力下降[10].但有关冬小麦调亏灌溉技术尚不完善，还有待深入研究.本文在田间试验条件下，以土壤目标相对含水量为基础，通过准确定量，研究调亏灌溉对冬小麦耗水特性和水分利用效率的影响，为制定冬小麦高产节水栽培技术提供理论依据.1 材料与方法1.1试验材料与试验设计试验于2007—2008年在山东省兖州市小孟镇史王村（35.41° N，116.41° E）大田进行，供试材料为高产中筋冬小麦品种济麦22.试验田0~20 cm土层土壤养分含量为：有机质15.0g•kg-1、全氮1.0 g•kg-1、碱解氮62.6 mg•kg-1、速效磷25.0 mg•kg-1、速效钾139.8 mg•kg-1.小麦生育期间降水量为：播种至拔节期51.4 mm、拔节至开花期88.4 mm、开花至成熟期88.2 mm.播种前0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm、100～120 cm和120～140 cm土层土壤田间持水量分别为24.7%、25.3%、24.7%、25.0%、24.63%、23.51%和23.18%，土壤容重分别为1.55、1.50、1.51、1.52、1.53、1.58和1.56 g•cm-3，相对含水量分别为62.4%、54.6%、75.4%、89.4%、77.5%、77.0%和82.7%.试验设置的灌水组合为底墒水+拔节水+开花水，底墒水设2个水平，拔节水设4个水平，开花水设4个水平，共5个处理，分别用W0、W1、W2、W3和W4表示（表1）.表1 水分处理方案（0～140 cm 土层相对含水量平均值）Table 1 Water treatments (average soil relative water content at 0～140 cm soil layer)处理 Treatment 灌水时期 Irrigation stage播种期Sowing拔节期Jointing开花期AnthesisW 0 80% 65% 65% W 1 80% 70% 70% W 2 80% 80% 80% W 3 90% 80% 80% W 490%85%85%灌水量由灌水定额计算公式确定[11]，计算公式为： m =10ρb H （βi -βj ） 式中：m 为灌水量（mm ）；H 为该时段土壤计划湿润层的深度（cm ），本试验计划湿润层深度为140 cm ；ρb 为计划湿润层内土壤容重（g •cm -3）；βi 为目标含水量（田间持水量乘以目标相对含水量）；βj 为自然含水量，即灌溉前土壤含水量.灌水量用水表计量.小区面积4 m×4 m ，小区间设置1.0 m 隔离区，随机区组排列，3次重复.冬小麦播种前，前茬玉米的秸秆全部粉碎翻压还田.基肥用量为N 105 kg•hm -2，P 2O 5 112.5 kg•hm -2，K 2O 112.5 kg·hm -2；拔节期追施N 135 kg•hm -2.所施肥料为尿素（含N 46.4%）、磷酸二铵（含P 2O 5 46%，N 18%）、硫酸钾（含K 2O 52%）.2007年10月8日播种，4叶期定苗，基本苗为180株•m -2，其他管理措施同丰产田，2008年6月11日收获. 1.2 水分测定与计算方法1.2.1 土壤含水量的测定 用土钻取0~200 cm 土层土样，分层取土，20 cm 为一层，置于铝盒中，采用烘干法测定土壤含水量，其公式为：土壤含水量=（土壤鲜质量-土壤干质量）/土壤干质量×100%.1.2.2 农田耗水量的计算 采用测定土壤含水量计算作物耗水量的方法[12]，耗水量的计算公式为： ET 1-2 =∑=n1i 10γi H i （θi1－θi2）+M +P 0+K式中：ET 1-2为阶段耗水量（mm ）；i 为土层编号；n 为总土层数；γi 为第i 层土壤干容重（g •cm -3）；H i 为第i 层土壤厚度（cm ）；θi1和θi2分别为第i 层土壤时段初和时段末的含水率，以占干土质量的百分数计；M 为时段内的灌水量（mm ）；P 0为有效降水量（mm ）；K 为时段内的地下水补给量（mm ），当地下水埋深大于2.5 m 时，K 值可以忽略不计，本试验的地下水埋深在5 m 以下，故地下水补给量可视为0.日耗水量=各生育阶段麦田耗水量/生育阶段天数 耗水模系数=各生育阶段麦田耗水量/麦田总耗水量1.2.3 水分利用效率和灌溉效益的计算 水分利用效率的计算公式[13-14]为：WUE=Y/ET α，灌溉水利用效率的计算公式[14]为：IWUE=Y/I ，灌溉效益的计算公式[15]为：IB=ΔY /I ，式中：WUE 、IWUE 和IB 分别为水分利用效率（kg•hm -2•mm -1）、灌溉水利用效率（kg•hm -2•mm -1）和灌溉效益（kg•hm -2•mm -1）；Y 为籽粒产量（kg•hm -2）；ΔY 为灌溉后增加的产量（kg•hm -2）；ET α为小麦生育期间实际耗水量（mm ），为各阶段耗水量之和；I 为实际灌水量（mm ）.1.2.4 棵间蒸发的测定 采用自制的小型蒸发器[16]测定冬小麦棵间蒸发量，将其置于冬小麦行间土壤. 该蒸发器用PVC 管做成，内径为7.5 cm ，壁厚5 mm .每次取土时，将其垂直压入土壤内，然后用自封袋封底，称量.每天17：00用精度为0.001 g 的电子天平称量后立即放回行间，2 d 内质量的差值为其蒸发量，测定时段内每天蒸发量的逐日累加值为累积蒸发量.为保证操作时不破坏附近土体结构，用内径为10 cm 的PVC 管做成外套，固定于土壤中，使其表面与附近土壤持平.蒸发器中原状土每2～3 d 更换1次，降雨或灌溉后立即更换原状土体. 1.3 数据处理采用Microsoft Excel 2003软件对数据进行处理和绘图，采用DPS 7.5和SPSS 11.5统计分析软件对数据进行差异显著性检验（LSD 法，α=0.05）. 2 结果与分析2.1调亏灌溉后0～140 cm土层土壤相对含水量由表2可以看出，底墒水调控所得相对含水量和目标相对含水量的相对误差（以下简称“调控误差”）分别为0.7%( W0、W1、W2)、0.5%(W3和W4)，拔节水W0、W1、W2、W3和W4处理的调控误差分别为6.0%、4.4%、1.5%、3.9%和2.8%，开花水4个处理的调控误差分别为0.2%、1.1%、7.7%、6.0%和2.2%；各处理平均调控误差为2.8%，表明按照灌水定额计算公式所得水量进行调亏灌溉，能够达到预期的目标相对含水量.表2不同处理的灌水量和土壤相对含水量（0～140 cm土层平均值）Table 2 Irrigation amount and soil relative water content (average value of 0-140 cm) under different treatments处理Treatment底墒水Pre-sowing water拔节水Water at jointing stage开花水Water at anthesis stage目标相对含水量Targetrelativewatercontent（%）相对含水量Relativewatercontent（%）相对误差Relativeerror（%）灌水量Irrigationamount（mm）目标相对含水量Targetrelativewatercontent（%）相对含水量Relativewatercontent（%）相对误差Relativeerror（%）灌水量Irrigationamount（mm）目标相对含水量Targetrelativewatercontent（%）相对含水量Relativewatercontent（%）相对误差Relativeerror（%）灌水量Irrigationamount（mm）W080 79.43 0.7 0 65 61.07 6.0 0 65 65.10 0.2 0 W180 79.43 0.7 0 70 66.90 4.4 0 70 69.21 1.1 43.83 W280 79.43 0.7 0 80 81.16 1.5 37.78 80 73.86 7.7 45.25 W390 90.43 0.5 80.90 80 76.86 3.9 0 80 75.22 6.0 22.48 W490 90.43 0.5 80.90 85 82.63 2.8 55.92 85 83.12 2.2 63.952.2调亏灌溉对麦田耗水量的影响由表3可以看出，W0处理的总耗水量显著低于各灌水处理，耗水来源于降水和土壤贮水.不同处理灌水量及其占总耗水量的比例为W4>W3>W2>W1，各处理间差异显著；土壤贮水消耗量及其占总耗水量的比例为W1>W2>W3>W4，各处理间差异显著；总耗水量为W4、W1>W2>W3，W4与W1处理间的总耗水量无显著差异，但两者显著高于W2和W3处理.以上结果表明，提高底墒水、拔节水和开花水的土壤相对含水量显著促进了冬小麦对灌溉水的利用，降低了其对土壤贮水的利用；其中土壤贮水消耗量和灌水量占总耗水量的比例变化幅度较大，分别为87.7%和82.9%，降水量占总耗水量的比例变化幅度为11.5%，表明灌水量和土壤贮水消耗量有较大的调控范围，降低冬小麦主要生育时期的土壤相对含水量，能达到提高土壤贮水利用比例、节约灌溉水的目的.表3不同处理耗水量的水分来源及其占总耗水量的比例Table 3 Sources of water consumption and their percentage of total water consumption amount under different treatments处理Treatment 耗水来源Water consumption source总耗水量Waterconsumptionamount(mm)占总耗水量的比例Percentage of total waterconsumption amount灌水量Irrigation amount(mm)土壤贮水消耗量Soil water consumptionamount (mm)降水量Precipitation(mm)RIW(%)RPW(%)RSW(%)W00 101.34b 228.0 329.34d 0 69.23a 30.77b W143.83d 153.63a 228.0 425.46a 10.30d 53.59d 36.11a W283.03c 63.29c 228.0 374.32b 22.18c 60.91c 16.91c W3103.38b 21.10d 228.0 352.48c 29.33b 64.68b 5.99dW 4 200.77a -2.22e 228.0 426.55a 47.07a 53.45d -0.52e CV （%）87.3192.60—11.4082.8811.4587.65同列不同小写字母表示处理间差异显著（P <0.05） Different small letters in the same column meant significant difference at 0.05 level among treatments .下同 The same below .RIW ：灌水量占总耗水量的比例 Percentage of irrigation amount to total water consumption amount; RPW ：降水量占总耗水量的比例Percentage of precipitation to total water consumption amount; RSW ：土壤贮水消耗量占总耗水量的比例 Percentage of soil water consumption amount to total water consumption amount . CV ：变异系数 Coefficient of variation.2.3 调亏灌溉对0～200 cm 各土层土壤贮水消耗量的影响由图1可以看出，冬小麦可以利用0～200 cm 各土层的土壤水分.W 0处理0～40 cm 和100～140 cm 土层土壤贮水消耗量显著高于其他处理，说明播种期、拔节期和开花期0～140 cm 土层土壤相对含水量分别为79.4%、61.1%和65.1%时，可以显著提高冬小麦对土壤贮水的利用.随着底墒水、拔节水和开花水土壤相对含水量的提高，冬小麦全生育期0～200 cm 各土层土壤贮水消耗量呈下降趋势. W 1处理0～180 cm 土层的土壤贮水消耗量显著高于其他灌水处理；W 2和W 3处理次之；W 4处理0～200 cm 各土层土壤贮水消耗量最低，均在7.83 mm 以下，表明底墒水、拔节水和开花水土壤相对含水量分别达到90.4%、82.6%和83.1%时，显著抑制了冬小麦对土壤贮水的利用，尤其是对深层土壤水分的利用.-15-10-5510152025303540土壤贮水消耗量 Soil water consumption amount （mm ）土层 S o i l l a y e r （c m ）图1 调亏灌溉对不同土层土壤贮水消耗量的影响Fig.1 Effects of regulated deficit irrigation on soil water consumption amount at different soil layers.2.4 调亏灌溉对冬小麦棵间蒸发的影响由图2可以看出，在冬小麦抽穗期，W 3和W 4处理的累积蒸发量显著高于W 0、W 1和W 2处理，其中W 3和W 4处理间无显著差异，W 2和W 0处理间无显著差异，说明浇底墒水+拔节水的处理土壤相对含水量较高，促进了冬小麦抽穗期的棵间蒸发。